鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞
2023-05-29 09:34 陜西鋼結(jié)構(gòu) 華邦建設(shè)
鋼材在持續(xù)反復(fù)荷載下，雖然在其應(yīng)力遠(yuǎn)低于強(qiáng)度極限，甚至還低于屈服極限的情況下，也會發(fā)生破壞，這種“積勞成疾”的現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞。
能夠?qū)е落摻Y(jié)構(gòu)疲勞的荷載是動力的或循環(huán)性的活荷載，如橋式吊車對吊車梁的作用，車輛對橋梁的作用，海浪對海洋結(jié)構(gòu)的作用，劇烈的地震使鋼結(jié)構(gòu)反復(fù)搖擺等。
鋼材在疲勞破壞之前，并沒有明顯變形，是一種突然發(fā)生的斷裂，斷口平直。所以疲勞破壞屬于反復(fù)荷載作用下的脆性破壞。
一般的說，疲勞破壞經(jīng)歷三個階段：裂紋的形成，裂紋的緩慢擴(kuò)展，裂紋的迅速斷 裂。對于鋼結(jié)構(gòu)，實際上只有后兩個階段，因為在鋼材生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)制造等過程小，不可避免地在鋼結(jié)構(gòu)的某些部位存在著局部微小缺陷，如鋼材化學(xué)成分的偏析、非金屬雜質(zhì);非焊接構(gòu)件表面上的刻痕，軋鋼皮的凹凸、軋鋼缺陷和分層以及制造時的沖孔、剪邊、火焰切割帶來的毛邊和裂紋;焊接構(gòu)件中有焊渣侵入的焊縫趾部、存在于焊縫內(nèi)的氣孔、欠焊，這些缺陷都是可能產(chǎn)生裂源的主要部位，這些缺陷本身就起著類似于微裂紋的作用，故也可稱其為“類裂紋”。應(yīng)力集中可以使個別晶粒很快出現(xiàn)塑性變形及硬化等，從而大大降低了鋼材的疲勞強(qiáng)度。由此可見，鋼材的疲勞破壞首先是由于鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻(微小缺陷)和應(yīng)力分布不均所引起的。
鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的幾何改變、微觀裂紋或類似的缺陷將會導(dǎo)致應(yīng)力集中。在多次反復(fù)荷載作用下，微觀裂紋不斷開展，應(yīng)力集中現(xiàn)象也會越來越嚴(yán)重。當(dāng)荷載反復(fù)循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)時，裂紋擴(kuò)展使得凈截面承載力不足以承受外力作用時，構(gòu)件突然斷裂，發(fā)生疲勞破壞。
對于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中而言，在靜力荷載作用下，其高峰應(yīng)力常因鋼材的塑性發(fā)展而相對減少，較低應(yīng)力部位的應(yīng)力增大，故使截面的不均勻應(yīng)力趨于均勻，因而不影響截面的極限承載力，設(shè)計時可不考慮其影響。但較嚴(yán)重的應(yīng)力集中，在高峰應(yīng)力區(qū)域內(nèi)總是存在著較大的應(yīng)力場，使鋼材的塑性變形困難而出現(xiàn)脆性斷裂，特別是在動力荷載作用下，常是使結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的重要原因。
在鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件中，產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因極為復(fù)雜。鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件在截面改變處都會產(chǎn)生應(yīng)力集中，如構(gòu)件之間的連接節(jié)點、柱腳、構(gòu)件的變截面處以及截面開孔等削弱處。此外，對于非焊接結(jié)構(gòu)，有鋼材表面的凹凸麻點、刻痕，軋鋼時的夾渣、分層，切割邊的不平整，冷加工產(chǎn)生的微裂紋以及螺栓孔等等。對于焊接結(jié)構(gòu)還有焊縫外形及其缺陷，缺陷包括氣孔、咬肉、夾渣、焊根、起弧和滅弧處的不平整、焊接裂紋等等。
除此之外，還有結(jié)構(gòu)和構(gòu)件中的殘余應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)和構(gòu)件所處的環(huán)境等都會對其疲勞強(qiáng)度造成影響。在腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，疲勞裂紋擴(kuò)展的速率會受到不利的影響。
由于影響疲勞強(qiáng)度的因素如此眾多，且又交織在一起，因此很難從理論上分析這些因素對疲勞強(qiáng)度的影響。目前都采用實驗手段，有時也輔以斷裂力學(xué)的理論成果加以分析。
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